グラインダーポンプと圧力下水道システムの進化

重力式下水道システムは、地方自治体が住宅下水廃棄物を収集施設または処理施設に輸送するために使用する主な方法です。 重力式下水道は重力を利用して、大きな傾斜したパイプのネットワークを通して液体を下水道本管まで押し出します。 すべての下水道技術において、液体には固体を浮遊状態に保つための最小限の流速が必要です。 固形物が廃水システムに沈殿すると、詰まりや臭気の問題などの悪影響が生じます。

州および地方自治体は、必要な最小流量、およびこれらの流れを達成するための最小パイプ直径および最小勾配の基準を規定する設計基準を発行しています。 これが請負業者にとって意味することは、下水本管を、それに接続されている各水源からの排水管よりも深く設置する必要があるということです。 リフト ステーションを使用すると、液体をより高い高度にポンプで汲み上げることができ、これにより下水道本管を地表に近づけることができます。 ただし、リフト ステーションは建設に費用がかかり、維持にも費用がかかる場合があります。 全体として、下水道インフラの建設には大規模な溝の掘削が必要ですが、これには費用がかかり、環境への影響も生じます。 これらの課題は、地下水面が高い地域や、丘陵、岩石、平坦な地形の地域ではより困難になります。

圧力式下水道システムは、重力式下水道システムが実現可能性や経済性が低い用途の代替として 1970 年代初頭に設計されました。 これは、困難な地形に対処し、時間のかかる増築プロジェクトや開発の初期費用を削減する手段を提供しました。 従来の重力式下水道システムと圧力式下水道システムの主な違いは、配管ネットワークと各住宅の廃水中の固形物サイズの縮小にあります。 圧力式下水道システムは、グラインダー ポンプのネットワークを利用して、小径のパイプを通して下水道本管、リフト ステーション、または処理システムに直接廃水を輸送します。 グラインダー ポンプは、粉砕機構を使用して廃棄物の流れ中の微粒子を微細なスラリーに減らすように設計された水中ポンプです。 困難な地形を克服するために、パイプは霜線のすぐ下に設置され、自然の地形に沿っています。 ポンプは、重力システムと比較して、高圧かつ制限された流量で動作する必要があります。

圧力下水道用途で使用できるグラインダー ポンプには、プログレッシブ キャビティまたは遠心ポンプの 2 つの基本的な形式があります。 プログレッシブキャビティグラインダーでは、多葉のゴム製ステーター内で回転する特別な形状のステンレス鋼ローターによってポンピングが実行されます。 2 つのコンポーネント間に生じる摩擦により、流体の輸送に使用される圧力が発生します。 遠心グラインダーポンプは、ボルテックスインペラを使用して圧力と流れを生成します。 インペラが回転すると、ポンプ ケーシング内に渦が発生し、スラリーが渦巻き室から配管システムへと外側に運ばれます。

当初、プログレッシブキャビティグラインダーは、高いヘッド圧力 (最大 150 フィート) で狭い範囲の流量 (10 ～ 15 ガロン/分 [gpm]) でポンピングできるため、圧力下水道用途に最適なポンプでした。 プログレッシブキャビティポンプは圧力に関して自己制限的ではありません。 システムの体積が増加すると、圧力も増加します。 システム圧力がポンプの遮断ヘッド圧力を超えると、ポンプは何かが故障するまで背圧を克服しようと試み続けます。 故障は、熱センサーのトリップなどの単純な場合もあれば、断線やポンプの損傷などの深刻な場合もあります。 少なくとも、圧力の増加は摩耗の増加につながります。 これらのポンプは摩擦によって動作するため、ポンプのコンポーネントは継続的に摩耗します。

摩耗は、高圧、高流量、長い稼働時間、または廃棄物の流れに砂や土などの粒状粒子が添加されると加速されます。 プログレッシブキャビティグラインダーのポンプステータは、最も磨耗が激しい部品であると同時に、交換するためのより高価なコンポーネントの 1 つであるため、修理や早期故障に多額の費用がかかります。

長い間、遠心グラインダーポンプのメーカーは、圧力下水道用途に標準的な一段グラインダーを提供してきました。 これらのポンプは一部の用途では対応でき、プログレッシブキャビティグラインダーよりも多くの流量を提供できますが（それぞれ 55 ～ 60 gpm 対 15 gpm）、約 100 フィートヘッド（対 150 フィート）に制限されていました。 遠心ポンプの利点は、ポンプ曲線に沿って動作する特性でした。 ポンプは、シャットオフヘッドでアイドリングしても損傷を引き起こすことなく安全に動作できます。 プログレッシブキャビティポンプとは異なり、遠心ポンプはシステム圧力が安定するまで待機し、通常どおりのポンプ動作に戻ります。

これらの利点により、単段遠心グラインダー ポンプは、低揚程用途におけるプログレッシブ キャビティ グラインダー ポンプと比較して、優れた代替品として市場で受け入れられました。 ただし、高ヘッドのアプリケーションではギャップが残りました。 高揚程の遠心グラインダーに対する市場のニーズに応えるために、圧力下水道用途に特化した二段式遠心グラインダーポンプが開発されました。 流量をいくらか犠牲にすることで、第 2 段階のインペラを追加することでヘッド圧力を 2 倍にすることができました。 この革新の結果、200 フィートのヘッド圧力で動作し、低圧状況ではほぼ 30 gpm でポンプできる遠心グラインダー ポンプが誕生しました。 流量が大きいため、通常の条件下で動作する 1 台の遠心グラインダー ポンプで 2 インチのラインを洗浄できますが、プログレッシブ キャビティ グラインダー ユニットでは 2 インチのラインを洗浄するために 2 ～ 3 台のポンプを同時に動作させる必要があります。 臭いを最小限に抑え、詰まりを防ぐためには、ラインを洗浄し続けることが重要です。 二段式遠心グラインダーの運転コストは、流量が大きいため必要な運転時間が短縮されるため、多くの場合安価になります。

圧力下水道システムの利点は、互換性と柔軟性です。 グラインダー ポンプは互換性を考慮して設計されているため、システムに流入する流量が十分である限り、使用されているグラインダー ポンプ技術に関係なく、システムは適切に動作します。 その結果、遠心式キャビティグラインダー技術または順送キャビティグラインダー技術のいずれか、または両方の技術を単一システムで一緒に使用することが可能になります。 これらの住宅用グラインダー ステーションは、全圧下水道システムの開発に使用したり、手の届きにくい場所や浄化槽システムの交換などの 1 回限りのアップグレード用のツールとして重力式下水道システムと組み合わせて使用​​したりできます。

遠心ポンプとプログレッシブキャビティグラインダーポンプの両方のメーカーは、アップグレードユニットを提供しています。これにより、ユーザーは自社の製品を既存のステーションに簡単に統合して、最小限の材料費と人件費でポンプやシステムの性能を向上させることができます。

システムは常に変化しています。 設置環境の要因に基づいて流入量が増減する可能性があるため、容量は時間の経過とともに変動します。 場合によっては、ポンプ技術をアップグレードすることで、流体速度の増加など、システム内の既存の問題を解決できることがあります。 これにより、ラインの洗浄を維持し、廃水の滞留時間を短縮し、臭気の抑制と腐食の防止に役立ちます。

Mackenzie May は、Crane Pumps & Systems の製品マネージャーです。 詳細については、cranepumps.com をご覧ください。